一种基于可重构全息超表面的通信接收机系统的制作方法

1.本发明涉及无线通信装置领域，特别是涉及一种基于可重构全息超表面的通信接收机系统。


背景技术：

2.为了实现无处不在的智能信息网络，即将到来的第六代(6g)无线通信对天线技术提出了严格的要求，如容量增强和低功耗硬件组件。在现有的天线技术中，全息天线作为一种小尺寸、低功耗的平面天线，以其低制造成本和低硬件成本的多波束控制能力受到越来越多的关注。具体地说，全息天线利用金属贴片在表面构建全息图案，根据干涉原理记录参考波和目标波之间的干涉。然后，参考波的辐射特性可以通过全息图案来改变，以产生所需的辐射方向。
3.然而，随着移动设备的爆炸性增长，传统的全息天线面临着巨大的挑战，因为一旦全息图案建立，传统全息天线其辐射方向图就固定了，根本无法满足移动通信的需求。由于超材料的可控性，新兴的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface，rhs)技术在改善传统全息天线的不足方面显示出极大的潜力。rhs是一种超轻薄的平面天线，天线表面嵌有许多超材料接收单元。具体而言，由天线馈源产生的参考波以电磁波的形式激励rhs，使得基于印刷电路板(pcb)技术制造的拥有紧凑结构的rhs成为可能。根据全息图案，每个辐射单元可以通过电控制参考波的辐射幅度来产生所需的辐射方向。因此，相比于传统的碟形天线和相控阵天线，rhs无需重型机械运动装置和复杂的移相电路就可以实现动态波束成形，可以大大节省天线制造成本以及功率损耗，同时其轻薄的结构也十分便于安装。
4.但是，现有rhs的现有研究工作大致集中于rhs硬件组件设计和辐射方向控制上。大多数研究仅证明了rhs实现动态多波束控制的可行性。目前还没有工作研究rhs辅助下的多用户通信的发射装置以及全息波束形成方案对通信系统性能的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的通信接收机系统，在可重构全息超表面辅助的多用户的上行通信中，能够使用户总数据速率达到最大。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于可重构全息超表面的通信接收机系统，包括：
8.可重构全息超表面，用于进行全息接收波束成形，用于对接收到的自由空间中的电磁波的收集能量进行调节以产生能量不同的电磁波；
9.数字波束成形接收模块，与所述可重构全息超表面连接，用于处理和分离不同用户的发射信号；
10.偏置电压控制模块，与所述可重构全息超表面连接，用于预设偏置电压调节间隔，以使所述可重构全息超表面依据所述预设偏置电压调节间隔对所述电磁波的收集能量进
行调节。
11.优选地，所述可重构全息超表面包括：馈源、平行板波导和超材料接收单元阵列；
12.所述馈源和所述超材料接收单元阵列均设置在所述平行板波导上；所述超材料接收单元阵列包括多个超材料接收单元；
13.所述超材料接收单元对接收的自由空间中的电磁波的收集能量进行调节以产生能量不同的电磁波，然后将产生的能量不同的电磁波经所述平行板波导发射给所述馈源进行汇集，所述馈源将汇集的电磁波转化为高频电流。
14.优选地，所述超材料接收单元包括：金属底板、介质层和刻蚀有互补电感电容谐振环的微带线；
15.所述介质层设在所述金属底板上；所述微带线设置在所述介质层上；
16.所述互补电感电容谐振环包括变容二极管和互补电感电容谐振环谐振器；所述变容二极管与所述互补电感电容谐振环谐振器连接；所述变容二极管的电压值随偏置电压值改变，进而使所述互补电感电容谐振环谐振器的互感发生改变。
17.优选地，所述互补电感电容谐振环谐振器包括：金属贴片；
18.所述金属贴片设置于所述微带线的刻蚀凹槽中；所述金属贴片的最长边上均设置有“t”型槽。
19.优选地，所述超材料接收单元阵列的个数有多个；
20.两个超材料接收单元阵列之间设置一个馈源，以构成一个电磁波传输
‑
接收模块；
21.所述可重构全息超表面上设置有多个所述电磁波传输
‑
接收模块。
22.优选地，还包括入射波束信道确定模块；
23.所述入射波束信道确定模块用于确定每一所述超材料接收单元和用户之间的传输信道。
24.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
25.本发明提供的基于可重构全息超表面的通信接收机系统，通过采用可重构全息超表面调节电磁波的收集能量，进而在多用户通信中，能够使用户的总数据速率达到最大。并且，可重构全息超表面辅助多用户通信还具有功耗低，硬件成本低的特点，能够解决现有具有波束成形能力的天线体积大、功耗高、硬件成本高等问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明提供的可重构全息超表面的结构示意图；
28.图2为本发明提供的平行板波导上波传播示意图；
29.图3为本发明提供的超材料接收单元的结构示意图；
30.图4为本发明提供的互补电感电容谐振环的结构示意图。
31.标记说明：
32.1馈源，2平行板波导，3超材料接收单元，4金属底板，5介质层，6微带线，7变容二极
管，8金属贴片。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的通信接收机系统，在可重构全息超表面辅助的多用户的上行通信中，能够使用户总数据速率达到最大。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.本发明提供的基于可重构全息超表面的通信接收机系统，包括：可重构全息超表面、数字波束成形接收模块和偏置电压控制模块。
37.其中，可重构全息超表面用于进行全息接收波束成形，对接收的自由空间中的电磁波的收集能量进行调节以产生能量不同的电磁波。
38.数字波束成形接收模块与可重构全息超表面连接，用于处理和分离不同用户的发射信号，以消除不同用户信号之间的干扰。
39.偏置电压控制模块与可重构全息超表面连接，用于预设偏置电压调节间隔，以使可重构全息超表面依据预设偏置电压调节间隔对电磁波的收集能量进行调节。
40.如图1所示，本发明上述采用的可重构全息超表面包括：馈源1、平行板波导2和多个超材料接收单元阵列。
41.馈源1和超材料接收单元阵列均设置在平行板波导2上。两个超材料接收单元阵列之间设置一个馈源1，以构成一个电磁波传输
‑
接收模块。可重构全息超表面上设置有多个电磁波传输
‑
接收模块。超材料接收单元阵列包括多个超材料接收单元3。
42.超材料接收单元3对接收的自由空间中的电磁波的收集能量进行调节以产生能量不同的电磁波，然后将产生的能量不同的电磁波经平行板波导2发射给馈源1进行汇集，馈源1将汇集的电磁波转化为高频电流。其中，在平行板波导2上传播的电磁波如图2所示。
43.其具体工作原理为：自由空间中的电磁波打至可重构全息超表面上，通过可重构全息超表面上的超材料接收单元3转化成在可重构全息超表面上传播的具有不同能量的电磁波。超材料接收单元3通过调节超材料接收单元3中的电源的偏置电压，可实现对电磁波收集能量多少的调节，即对电磁波幅值的调节。偏置电压值与在超材料接收单元3上产生的电磁波的幅度值具有一一对应关系，最终电磁波汇集至可重构全息超表面的馈源1处，馈源1将电磁波转化成高频电流。
44.为了进一步增加超材料接收单元3的可调谐性能，如图3所示，本发明采用的超材料接收单元3包括：金属底板4、介质层5和刻蚀有互补电感电容谐振环的微带线6。
45.介质层5设在金属底板4上。微带线6设置在介质层5上。
46.互补电感电容谐振环包括变容二极管7和互补电感电容谐振环谐振器。变容二极管7与互补电感电容谐振环谐振器连接。变容二极管7的电压值随偏置电压值改变，进而使互补电感电容谐振环谐振器的互感发生改变。
47.为了对称，两个变容通过间隙连接，这些间隙将互补电感电容谐振环的中心金属部分与微带线6分开。通过将偏置电压施加到变容二极管7上，变容二极管7的电容值随着施加的偏置电压值改变，可以改变互补电感电容谐振环的互感，使超材料接收单元3可调谐。
48.如图4所示，在微带线6上刻蚀环形槽形成一个闭合环，并与金属贴片8结合(即将金属贴片8设置于微带线6的刻蚀凹槽中)，可制备出互补电感电容谐振环谐振器。该金属贴片8本发明采用的是矩形金属贴片。矩形金属贴片的每一长边中间都有一个t形槽，以提高设计自由度。具体地说，通过调整互补电感电容谐振环的几何性质，可以改变互补电感电容谐振环的谐振频率和器件的能量收集效率。
49.进一步，本发明上述提供的基于可重构全息超表面的通信接收机系统还包括入射波束信道确定模块。入射波束信道确定模块用于确定每一超材料接收单元3和用户之间的传输信道。
50.接下来，基于上述提供的基于可重构全息超表面的通信接收机系统的具体结构叙述使得所有用户总通信数据速率最大化的全息接收波束成形设计方案：
51.为方便叙述，对无线通信场景以及发射装置中的变量进行字母表述与假设：
52.考虑一个装有k个馈源的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface,rhs)的基站(接收装置)要接收来自l个移动用户的数据，则l个移动用户相对于该接收装置的位置即为接收装置所需发射波束的方向。假设rhs由m
×
n个超材料接收单元组成。rhs每个接收单元与每个用户之间的传输信道可根据实际情况利用计算机进行模拟，基站与每个用户l之间的总信道矩阵用h
l
表示，其维度为mn
×
1。假设用户l向基站发送的信号为s
l
。基站对于发送给用户的信号首先进行基于rhs的全息接收波束成形，然后再对信号进行数字波束成形解调出个用户的信号，则基站最终恢复出的每个用户的信号为：
[0053][0054]
其中，v是大小为l
×
k的数字波束成形矩阵，v
l
是v的第l行，m是由元素构成的大小为k
×
mn的矩阵，k
s
为参考波在rhs表面传播的传播矢量，为第k个馈源到第(m,n)个超材料接收单元的距离矢量，z
l
为信道中的高斯白噪声。
[0055]
则用户总传输速率最大化问题为：
[0056][0057]
s.t.0≤m
m,n
≤1,
[0058]
步骤1：基于rhs的全息波束成形方案设计：
[0059]
首先对数字波束成形方案进行初始化，通过引入辅助变量γ
l
,δ
l
可以将用户速率最大化问题改写成：
[0060][0061][0062][0063]
定义为关于下标m,n下标做向量化得到的mn维列向量，则的线性近似可以表示成这里η
l
为矩阵re(b
l
)[re(b
l
)]
t
im(b
l
)[im(b
l
)]
t
的最大特征值，为对应于η
l
的特征向量的第(m
‑
1)n n个分量。
[0064]
通过可以得到最优的γ
l
,δ
l
，具体表达如下：
[0065][0066][0067]
通过引入拉格朗日乘子λ
m,n
松弛约束至目标函数中，每一轮拉格朗日迭代中，最优的全息波束成形方案可以通过求解下列线性方程组得出：
[0068][0069]
完整的全息波束成形优化算法总结如下：
[0070]
(1)初始化m
m,n
。
[0071]
(2)通过(a)式和(b)式计算和
[0072]
(3)通过(c)式计算
[0073]
(4)通过次梯度法更新λ
m,n
。
[0074]
(5)检验算法是否收敛，若没有收敛，回到第(2)步继续迭代，若收敛，则算法结束，得到最优的
[0075]
步骤2：数字波束成形接收模块设计
[0076]
根据步骤1中初始优化的超材料接收单元的辐射振幅m
m,n
信道矩阵h
l
，为了使所有用户总数据速率达到最大值，数字波束成形接收方案可以表示为：
[0077][0078]
其中，q＝(mh1,mh2,
…
,mh
l
)，p＝diag{p1,p2,
…
,p
l
}是一个对角矩阵代表基站对处理每个用户的信号分配的功率，最优的μ
l
为(q
h
q)
‑1q
h
的第l个对角元素，ν为满足等式对角元素，ν为满足等式
[0079]
步骤3：利用计算机迭代优化数字波束成形与全息波束成形方案
[0080]
在步骤1和步骤2提出的算法的基础上，本发明设计了一个接收波束成形联合优化算法，以迭代的方式求解用户总数据速率最大化问题。具体而言，在保持数字波束成形方案v方案固定的情况下，用步骤1中提出的全息波束成形接收优化算法对{m
m,n
}进行优化。然后通过公式获得数字波束成形方案v。将优化后的全息波束形成接收器和数字波束形成器和作为初始解。在随后的每次迭代中，这两个子问题交替求解。直到两个相邻迭代之间的用户总数据速率的值差小于预定义的阈值，则迭代完成，获得最优的全息波束成形接收方案与数字波束成形接收方案v
*
，rhs和数字波束成形模块分别根据与v
*
对接收信号进行处理即可。
[0081]
综上，本发明提供的基于可重构全息超表面的通信接收机系统相对于现有技术具有以下优点：
[0082]
1)、传统的碟形天线通过笨重的机械装置控制天线转动从而实现波束控制的方式，具有后期维修费用高昂等缺点。而rhs尺寸小，制造使用pcb技术使其结构紧凑而轻薄，制造成本大大降低，易于直接安装在发射装置上，采用电控制的方式可以达到很好的动态多波束控制效果，因此rhs能够适用于多用户移动通信。
[0083]
2)、rhs功耗低，硬件成本低：相控阵天线虽然也利用电控制波束方向，但是相控阵依赖于大量的移相器控制每根天线中电磁波的相位，同时还需要大量功率放大器，因此，相控阵天线需要复杂的移相电路，且功率损耗大，硬件成本高。相比之下，rhs则不需要移相器以及复杂的移相电路，利用变容二极管控制每个超材料接收单元辐射电磁波能量的不同，即通过调幅的方式就可以完成波束控制，因此用rhs辅助多用户通信功耗低，硬件成本也很低，相对相控阵天线有很大的优势。
[0084]
3)、采用基于可重构全息超表面的全息接收波束成形设计方法可以进一步使得在具有轻薄、低成本、低功耗等优点的rhs辅助多用户通信过程中，用户的总数据速率达到最
大。
[0085]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0086]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。